井下不稳固地层塌方空区喷射混凝土充填施工工艺

熊鹰，高坤，何磊

(中国华冶科工集团有限公司,北京 100176)

运输巷道在矿山生产中承担着运输矿石、废石等重要作用，并且使用时间非常长，在基建阶段，运输巷道又是关键工程，占相当长的施工时间。在施工阶段，由于地质原因运输巷道往往要穿过破碎不良地质段，施工阶段或已施工结束的巷道经常出现顶板冒落甚至塌方的情况[1-3]，为确保施工安全和工程安全，施工中多数采取钢拱架支护巷道顶部[4-6]，然后回填充填物料，最后采用喷射混凝土覆盖钢拱架，形成联合回填支护体。但在充填物料时，施工人员长期处于塌方空区内安全风险较大。

在巴基斯坦杜达铅锌矿30m水平运输巷塌方段钢拱架支护中，钢拱架安装结束后采取拱架顶部预留充填管路充填混凝土支护方案，该方案不仅施工速度快，安全也得到了有效保证，且工程质量方面无论是实体还是外观都达到了非常好的效果。

1 工程基本情况

1.1 杜达铅锌矿工程地质条件

杜达铅锌矿位于巴基斯坦俾路支省（Balochistan Province）南部拉斯贝拉（Lasbela）地区的坎拉杰（Kanraj）谷中，其地理位置为：东经66°50′，北纬26°05′。海拔标高约为550m，向南逐渐降低与印度河平原相连，起源于基尔塔尔谷的哈布河流经矿区汇入阿拉伯海。

杜达铅锌矿床赋存于产状近南北向的两翼不对称向斜地层中，向斜轴向北北西以30°倾角侧伏，局部为45°，向斜西翼发育,倾角较陡，约50°～80°。矿化带投影延展范围南北方向为1100m，向北尚未封闭；东西宽约200m，分别被DUDDAR断层和SPINGWAR断层切断。矿体埋深在地表以下75m至1000m。中段矿化带的水平走向长度一般在300～450m之间。

杜达矿区构造极为发育，有褶皱和相互穿切的断裂，矿化带严格受构造控制。矿体赋存于产状近南北向的向斜地层中，向斜轴向北倾伏，两翼不对称，呈西偏，平均倾角30°，局部为45°，O断层以北向斜两翼较为舒缓。矿区断裂构造比较发育，其主要断层大致可分为NNE向和NE向两组。断层结构面较平整，可见到部分断层结构面旁有厚约10cm断层泥。断层角砾岩带宽约0.8～1.5m，碎裂岩带宽约4～8m，在多个断层均见到灰黑色、黑色炭泥质胶结角砾岩或断层糜棱岩，其中含较多黄铁矿结核或浸染状黄铁矿。断层上盘为JS地层，下盘为JL地层。其上、下盘常发育有牵引褶曲和羽状小断裂。这些断层构造对井巷工程的施工带来不利影响，导致发生塌冒的风险较大。

1.2 矿体上下盘赋存条件

根据矿床赋存特征，矿化区分为以下三个矿段，即：层状矿段，网脉状矿段和层状网脉状混合矿段。层状矿段又分为黄铁矿带和锌矿带，锌矿带位于黄矿铁带下方，中间夹有8～10m厚的石灰岩和互层泥岩。黄铁矿带80%为黄铁矿和白铁矿，由两层水平厚度为5～10m的高品位层组成，两层之间夹有厚度小于3m的不含矿脱钙泥岩。脱钙泥岩的稳固性很差。锌矿带平均厚度10～12m，其顶板为8m厚的石灰岩和互层泥岩，其基底为5～10m厚的黄铁矿化碳质不含钙黑色页岩。层状矿带的顶板包含厚度不等的泥岩和泥质石灰岩，即plat3 member。顶板围岩RQD值40%～90%，Q=2～24。典型的顶板条件为好（即Q=24）。黄铁矿带顶板局部为泥岩的地段，稳固性较差。矿床向北，网脉矿段取代了层状矿段。网脉矿段向北侧伏，一直延伸到SPINGWAR和DUDDAR断层交汇处尖灭,其RQD值为40%～100%，Q=1.3～30，典型的Q值为25，网脉矿的稳固性一般为好到很好，但是这种情况随是否有断层或者局部是否有脱钙互层泥岩而变化很大。其顶板为泥岩和泥灰岩。矿体的直接下盘围岩为Bambh Member(AB)，其主要有灰岩和粉砂岩组成。该岩层的稳固性一般比较好。该岩层向下为Loralai Formation，其RQD值为40%～100%，Q=4～19.5，其稳固性为一般到好。

根据DATAMINE 地质模型，按照矿体锌当量品位 6%的边界品位，圈定矿体之后发现矿体在沿走向和倾向上都不连续，而且矿体的形状变化较大。根据地质模型统计的矿体几何参数如下：重晶石矿体厚度变化不大，平均矿体厚度为5.87m，倾角0°～71°，一般在50°以上，平均倾角52.8°，矿体平均走向长度为55m；黄铁矿体厚度7～15m，平均厚度10.9m，倾角0°～58°，平均倾角34°，矿体平均走向长度为64m；锌矿体厚度6～30m，平均厚度13.82m，倾角 0°～77°，平均倾角 55°，矿体平均走向长度为63.33m，其中 100m水平以上矿体平均厚度 9.14m，平均倾角 63°；网脉矿体厚度 7～90m，平均厚度 59m，矿体倾角 69°～87°，平均倾角 78°，平均走向长度为60.82m。层状脉和网状脉矿石密度分别为 3.50t/m3、3.35t/m3，松散系数1.65。围岩密度 2.70t/m3。

1.3 矿区水文地质条件

杜达铅锌矿属干旱少雨地区，地表水体不发育，仅有克拉里河以东西方向横穿矿区北部。该河为常年性河流，大部分时间水流量较小，约 10～20L/s。雨季时则由涓涓小溪汇成宽 100～150m 的大河，平均水深 2～3m。凹槽洼地水深可达 10m 以上。

矿区地表有克拉里河从矿区北部流过，该河为常年性河流，暴雨时河水短时间内上涨，区内大气降水年最大量247mm。矿区的构造断层发育，根据断层性质判断，其南北向的断层多为压性或压扭性断裂，理论上讲，属于隔水或阻水的，其东西向断层多为张性的，一般为导水或含水的。从矿区地下水承压状态和压力水头分布分析，在空间上存在多个地下水单元，据分析这种地下水单元分区应呈南北向分布，即由于南北向断层的隔水性决定的。

杜达矿床被很多大小断层所切割，风化层深度一般为15～20m。由于受断层的影响，其开采技术条件变化较大。钻探显示个别地带有较高的承压水，可以认为大的断层均为含水层。一些断裂构造带可成为含水构造带，形成条带状富水区。水文地质测绘结果表明，本矿区内Fspingwar和Duddar Thrust 断层属于富水条件较好的断裂构造。Fspingwar斜贯矿区，规模较大，其上、下盘分别为JS、JL钙质细砂岩、石英砂岩、灰岩、泥质灰岩，均为坚硬、性脆的岩石，故在断层活动时形成了较宽的碎裂岩带和角砾岩带，裂隙发育，有利于地下水赋存和活动。裂隙水对穿越构造带的井巷工程带来不利的影响，将进一步加剧井巷塌冒区的发展。

1.4 巷道冒落区治理工程概况

杜达铅锌矿采用竖井+斜井联合开拓。以 100m 水平为分界线，采用上下两个采区同时开采，上部采区包括400m、300m、200m 和 100m 中段，下部采区包括 0m、-100m、-200m 和-300m 中段。下部采区0m中段包含86m、72m、58m、44m、30m、15m共6个水平沿脉运输巷一般布置在离矿体50～60m的下盘岩层内，以灰岩和泥灰岩为主，岩层走向与巷道方向基本相同，岩层一般较陡，倾角60°-75°。灰岩硬度较高，f系数一般为8-12。岩层内节理、裂隙均较发育，一般被不同程度的泥质或方解石充填。裂隙内含不同程度的裂隙水，岩层遇水易沿层理面或裂隙面滑落，加大冒顶、片帮风险。现58m、44m、30m、15m水平沿脉运输巷已施工完成，施工中全部采用锚网喷支护，锚杆长度为2000mm，φ18螺纹钢，采用水泥药卷锚固，排间距800×800mm，网片网度为100×100mm，尺寸规格1000×2000mm，网片钢筋直径φ=6mm，喷射混凝土支护厚度100mm，强度C25。因构造带及岩层裂隙水影响，30m水平沿脉运输巷部分段在掘进成巷后顶板发生冒落，冒落段长度10～12m、高度6～8m。该巷道为30m分段回采主要运输通道，需进行治理恢复。

2 施工方案设计

杜达铅锌矿30m水平运输巷塌方段支护设计采用钢拱架配合喷浆机充填混凝土支护。钢拱架安装结束拱架顶部预留充填管和观察管，封闭拱架后利用喷浆机连接充填管路对塌方空区进行混凝土充填，直至塌方空区顶部观察管流出混凝土后充填结束，充填示意图如图 1 所示。

图1 充填示意图

3 施工工艺流程

首先对塌方段巷道中腰线进行标定[7]，根据巷道中腰线进行钢拱架安装，拱架安装完毕后在塌方空区顶部预留2根混凝土充填管（1根兼做观察管及排气管），同时在塌方空区两端中部预留2两根观察管，随后封闭拱架。在塌方空区3m外安装喷浆机，连接充填管路，利用混凝土运输车将混凝土料运送至喷浆机，对塌方空区进行混凝土充填，空区两端观察管流出混凝土后及时进行封堵，继续充填直至塌方空区顶部观察管流出混凝土后充填结束，施工工艺流程图如图2 所示。

图2 施工工艺流程图

4 施工工艺要点

4.1 钢拱架安装

测量技术人员在钢拱架安装施工前对巷道中腰线进行复核，保证控制线准确、可靠。钢拱架安装前对每架拱架进行规格、表面平整度检查，确保符合要求，拱架上标记锚杆眼的位置及角度，满足设备安装时的使用要求。现场使用的原材料必须有材质证明或是复检报告，各种成品、半成品必须有合格证，无证材料严禁进场。

依据巷道中腰线进行钢拱架架设，清理巷道至硬底达到设计标高，铺设拱架底部槽钢，按照拱架间距500mm安装拱架腿，调整拱架净断面尺寸使其满足巷道支护设计要求，焊接拱架腿和槽钢使拱架钢形成一个整体。架腿横向施工锚杆炜弯焊接固定，每根架腿施工4根间距700mm，架腿中部和上部焊接槽钢加固，安装拱架顶采用螺栓与架腿连接。拱架纵向采用螺纹钢焊接间距500mm。拱架水平允许偏差≤40mm，拱架间距允许偏差±50mm，架腿斜度允许偏差≤1°。

4.2 钢拱架封闭和充填管路安装

钢拱架顶部安装充填管路，管路采用3寸钢管，共安装4根，分别为2根充填管（1根兼做观察管及排气管）和2根观察管，观察管安装在塌方空区两端中部，充填管安装在塌方空区顶部，管路顶端位置依据巷道塌方高度而定，保证充填能够接顶，管路顶部炜弯防止落石堵塞管路，下部外露500mm连接喷浆管。拱架顶部封闭采用钢模板，两墙采用双层钢筋网片，喷射C25混凝土铺盖防止充填时漏浆。

4.3 拱架顶部混凝土充填

利用混凝土运输车运送混凝土料至塌方段，塌方空区3m外安装喷浆机，喷浆管连接拱架下部外露充填管路，进行顶部混凝土充填，充填时分层充填防止一次充填压力过大导致拱架变形，首层充填厚度为1000mm，待混凝土强度达到设计要求后继续进行充填[8-9]，当塌方空区两端中部观察管流出混凝土时表示混凝土料已均匀充填至塌方空区端部，对两端观察管进行封堵后继续充填，直至顶部观察管路混凝土流出表示充填已接顶，结束充填并对顶部管路做好封堵。

图3 管路安装

图4 拱架封闭

5 应用效果分析

采用喷浆机充填喷射混凝土施工方法与人工充填物普通法相比较，有如下特点：机械化程度非常高，达到了快速施工，安全得到了有效保证，工程质量达到了内实外美，而且大大降低了施工成本，减少劳动强度，具有明显的经济效益。

依巴基斯坦杜达铅锌矿30m水平运输巷塌方段钢拱架支护为例，分别对人工充填物普通法和喷浆机充填喷射混凝土施工方法进行直接经济效益计算。运输巷塌方段长度10m、钢拱架顶部空区高度8m、宽度3.4m。

采用人工充填物普通法支护施工。需用工期10天，其中钢拱架安装4天，人工充填6天。每天用6人，需用60个日工，每个日工900元。需用人工费：60×900=54000元。钢拱架材料、加工制作及安装费预计32000元。充填体积272m3、充填物1300元/m3，充填材料费用为272×1300=353600元。采用人工充填物普通法支护施工费用共计：54000+32000+353600=439600元。

采用喷浆机充填喷射混凝土施工方法。需用工期7天，其中钢拱架安装4天，混凝土充填3天。每天用6人，需用42个日工，每个日工900元，需用人工费：42×900=37800元。钢拱架材料、加工制作及安装费预计32000元。充填体积272m3、混凝土400元/m3，充填材料费用为272×400=108800元。喷浆机、铲运机，每台班530元，共3个台班，机械费用为3×530=1590元。采用喷浆机充填喷射混凝土施工方法所需费用共计：37800+32000+108800+1590=180190元。

由此可得使用喷浆机充填喷射混凝土施工方法比人工充填物普通法节约成本：439600-180190=259410元。

6 结语

针对巴基斯坦杜达铅锌矿30m水平运输巷遇破碎不良地质段顶板塌方现象，通过对巷道进行钢拱架安装拱架顶部预留充填管路快速充填混凝土支护后，保证了空区充填密实，大大提高了塌方空区顶板的稳定性。同时，在支护施工过程中，通过机械化配套作业，不仅极大的提高了充填工作效率，降低了施工成本，还减少了施工人员在塌方空区工作时间，降低了人员安全风险，保证了巷道施工生产安全，为其他类似地质条件巷道支护提供借鉴。